Трехфазные электрические цепи - история, устройство, особенности расчета напряжения, тока и мощности. Что такое чередование фаз и как его проверить? Линейный ток трехфазной цепи
Трехфазная цепь является частным случаем многофазных электрических систем, представляющих собой совокупность электрических цепей, в которых действуют ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга на определенный угол. Отметим, что обычно эти ЭДС, в первую очередь в силовой энергетике, синусоидальны. Однако, в современных электромеханических системах, где для управления исполнительными двигателями используются преобразователи частоты, система напряжений в общем случае является несинусоидальной. Каждую из частей многофазной системы, характеризующуюся одинаковым током, называют фазой, т.е. фаза – это участок цепи, относящийся к соответствующей обмотке генератора или трансформатора, линии и нагрузке.
Таким образом, понятие «фаза» имеет в электротехнике два различных значения:
- фаза как аргумент синусоидально изменяющейся величины;
- фаза как составная часть многофазной электрической системы.
Разработка многофазных систем была обусловлена исторически. Исследования в данной области были вызваны требованиями развивающегося производства, а успехам в развитии многофазных систем способствовали открытия в физике электрических и магнитных явлений.
Важнейшей предпосылкой разработки многофазных электрических систем явилось открытие явления вращающегося магнитного поля (Г.Феррарис и Н.Тесла, 1888 г.). Первые электрические двигатели были двухфазными, но они имели невысокие рабочие характеристики. Наиболее рациональной и перспективной оказалась трехфазная система, основные преимущества которой будут рассмотрены далее. Большой вклад в разработку трехфазных систем внес выдающийся русский ученый-электротехник М.О.Доливо-Добровольский, создавший трехфазные асинхронные двигатели, трансформаторы, предложивший трех- и четырехпроводные цепи, в связи с чем по праву считающийся основоположником трехфазных систем.
Источником трехфазного напряжения является трехфазный генератор, на статоре которого (см. рис. 1) размещена трехфазная обмотка. Фазы этой обмотки располагаются таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве друг относительно друга на эл. рад. На рис. 1 каждая фаза статора условно показана в виде одного витка. Начала обмоток принято обозначать заглавными буквами А,В,С, а концы- соответственно прописными x,y,z. ЭДС в неподвижных обмотках статора индуцируются в результате пересечения их витков магнитным полем, создаваемым током обмотки возбуждения вращающегося ротора (на рис. 1 ротор условно изображен в виде постоянного магнита, что используется на практике при относительно небольших мощностях). При вращении ротора с равномерной скоростью в обмотках фаз статора индуцируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, но отличающиеся вследствие пространственного сдвига друг от друга по фазе на рад. (см. рис. 2).
Трехфазные системы в настоящее время получили наибольшее распространение. На трехфазном токе работают все крупные электростанции и потребители, что связано с рядом преимуществ трехфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются:
Экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния;
Самым надежным и экономичным, удовлетворяющим требованиям промышленного электропривода является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;
Возможность получения с помощью неподвижных обмоток вращающегося магнитного поля, на чем основана работа синхронного и асинхронного двигателей, а также ряда других электротехнических устройств;
Уравновешенность симметричных трехфазных систем.
Для рассмотрения важнейшего свойства уравновешенности трехфазной системы, которое будет доказано далее, введем понятие симметрии многофазной системы.
Система ЭДС (напряжений, токов и т.д.) называется симметричной, если она состоит из m одинаковых по модулю векторов ЭДС (напряжений, токов и т.д.), сдвинутых по фазе друг относительно друга на одинаковый угол . В частности векторная диаграмма для симметричной системы ЭДС, соответствующей трехфазной системе синусоид на рис. 2, представлена на рис. 3.
 |
|
| Рис.3 | Рис.4 |
Из несимметричных систем наибольший практический интерес представляет двухфазная система с 90-градусным сдвигом фаз (см. рис. 4).
Все симметричные трех- и m-фазные (m>3) системы, а также двухфазная система являются уравновешенными. Это означает, что хотя в отдельных фазах мгновенная мощность пульсирует (см. рис. 5,а), изменяя за время одного периода не только величину, но в общем случае и знак, суммарная мгновенная мощность всех фаз остается величиной постоянной в течение всего периода синусоидальной ЭДС (см. рис. 5,б).
Уравновешенность имеет важнейшее практическое значение. Если бы суммарная мгновенная мощность пульсировала, то на валу между турбиной и генератором действовал бы пульсирующий момент. Такая переменная механическая нагрузка вредно отражалась бы на энергогенерирующей установке, сокращая срок ее службы. Эти же соображения относятся и к многофазным электродвигателям.
Если симметрия нарушается (двухфазная система Тесла в силу своей специфики в расчет не принимается), то нарушается и уравновешенность. Поэтому в энергетике строго следят за тем, чтобы нагрузка генератора оставалась симметричной.
Схемы соединения трехфазных систем
Трехфазный генератор (трансформатор) имеет три выходные обмотки, одинаковые по числу витков, но развивающие ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°. Можно было бы использовать систему, в которой фазы обмотки генератора не были бы гальванически соединены друг с другом. Это так называемая несвязная система. В этом случае каждую фазу генератора необходимо соединять с приемником двумя проводами, т.е. будет иметь место шестипроводная линия, что неэкономично. В этой связи подобные системы не получили широкого применения на практике.
Для уменьшения количества проводов в линии фазы генератора гальванически связывают между собой. Различают два вида соединений: в звезду и в треугольник. В свою очередь при соединении в звезду система может быть трех- и четырехпроводной.
Соединение в звезду
На рис. 6 приведена трехфазная система при соединении фаз генератора и нагрузки в звезду. Здесь провода АА’, ВВ’ и СС’ – линейные провода.
Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приемника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел, называется нейтральной (на рис. 6 N и N’ – соответственно нейтральные точки генератора и нагрузки).
Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называется нейтральным (на рис. 6 показан пунктиром). Трехфазная система при соединении в звезду без нейтрального провода называется трехпроводной, с нейтральным проводом – четырехпроводной.
Все величины, относящиеся к фазам, носят название фазных переменных,
к
линии - линейных.
Как видно из схемы на рис. 6, при соединении в звезду
линейные токи и равны соответствующим фазным токам.
При наличии нейтрального провода ток в нейтральном проводе 
. Если система фазных токов симметрична,
то . Следовательно, если бы симметрия
токов была гарантирована, то нейтральный провод был бы не нужен. Как будет показано
далее, нейтральный провод обеспечивает поддержание симметрии напряжений на нагрузке
при несимметрии самой нагрузки.
Поскольку напряжение на источнике противоположно направлению его ЭДС, фазные
напряжения генератора (см. рис. 6) действуют от точек А,В и С к нейтральной
точке N; 
- фазные напряжения нагрузки.
Линейные напряжения действуют между линейными проводами. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для линейных напряжений можно записать
 ;
|
(1) |
 ;
|
(2) |
Обычно при расчетах принимается 
. Тогда для случая прямого чередования
фаз
, (при обратном чередовании фаз
фазовые сдвиги у и меняются местами). С учетом этого
на основании соотношений (1) …(3) могут быть определены комплексы линейных напряжений.
Однако при симметрии напряжений эти величины легко определяются непосредственно
из векторной диаграммы на рис. 7. Направляя вещественную ось системы координат
по вектору (его начальная фаза равна нулю),
отсчитываем фазовые сдвиги линейных напряжений по отношению к этой оси, а их
модули определяем в соответствии с (4). Так для линейных напряжений и получаем: 
; 
.
Соединение в треугольник
В связи с тем, что значительная часть приемников, включаемых в трехфазные цепи, бывает несимметричной, очень важно на практике, например, в схемах с осветительными приборами, обеспечивать независимость режимов работы отдельных фаз. Кроме четырехпроводной, подобными свойствами обладают и трехпроводные цепи при соединении фаз приемника в треугольник. Но в треугольник также можно соединить и фазы генератора (см. рис. 8).
Для симметричной системы ЭДС имеем
.
Таким образом, при отсутствии нагрузки в фазах генератора в схеме на рис. 8 токи будут равны нулю. Однако, если поменять местами начало и конец любой из фаз, то и в треугольнике будет протекать ток короткого замыкания. Следовательно, для треугольника нужно строго соблюдать порядок соединения фаз: начало одной фазы соединяется с концом другой.
Схема соединения фаз генератора и приемника в треугольник представлена на рис. 9.
Очевидно, что при соединении в треугольник линейные напряжения равны соответствующим фазным. По первому закону Кирхгофа связь между линейными и фазными токами приемника определяется соотношениями
Аналогично можно выразить линейные токи через фазные токи генератора.
На рис. 10 представлена векторная диаграмма симметричной системы линейных и фазных токов. Ее анализ показывает, что при симметрии токов
| . | (5) |
В заключение отметим, что помимо рассмотренных соединений «звезда - звезда» и «треугольник - треугольник» на практике также применяются схемы «звезда - треугольник» и «треугольник - звезда».
Литература
- Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
- Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
Контрольные вопросы и задачи
Большинство трехфазных электродвигателей и других устройств учитывают такой параметр, как чередование фаз. На практике, несоответствие данного параметра изначальным настройкам может привести к различным аварийным ситуациям, некорректной работе электрических приборов и к травмированию персонала.
Что такое чередование фаз?
Под чередованием фаз следует понимать последовательность, в которой напряжение нарастает в каждой из них. Во всех трехфазных цепях напряжение представляет собой синусоидальную кривую. В каждой линии напряжение отличается на 120º от остальных.
Как видите, на рисунке 1, там где а) – показаны кривые напряжения во всех фазных проводах, смещенные на 120º. На соседнем рисунке б) изображена векторная диаграмма этих напряжений, На обоих рисунках показана разница между фазным и .
Если взять за основу, что из нулевой точки на рисунке а) выходит U A , то эта фаза является первой, на диаграмме б) наглядно стрелками показано, что очередность нарастания напряжения переходит от U A к U B , а за ним к U C . Это означает, что фазы чередуются в порядке A, B, C. Такой порядок чередования считается прямым.
Прямое и обратное чередование фаз
В трехфазной сети порядок чередования фаз может отличаться в зависимости от способов подключения к силовым трансформаторам на подстанциях, от последовательности включения обмоток генератора, из-за несоответствия выводов кабеля и по прочим причинам.
Рисунок 2: Прямая и обратная последовательность
Обратите внимание, цветовая маркировка определяет последовательность в соответствии их очередностью в алфавите по первым буквам цвета:
- Желтый – первый;
- Зеленый – второй;
- Красный – третий.
На рисунке 2 изображен классический вариант прямой последовательности A – B – C (где A имеет желтый цвет и является первой, B – зеленый и является второй, а C – красный и является третей) и классический вариант обратной последовательности C – B – A. Но, помимо них на практике могут встречаться и другие варианты, прямого: B – C – A, C – A – B, и обратного чередования: A – C – B, B – A – C. Соответственно, в каждом из приведенных примеров чередование фаз будет начинаться с первой.
Зачем нужно учитывать порядок фаз?
Последовательность чередования играет значительную роль в таких ситуациях:
- При параллельном включении в работу – ряд устройств (трансформаторы, генераторы и прочие электрические машины), могут соединяться в параллельную работу для повышения надежности системы или для обеспечения большего резерва мощности. Но, в случае неправильного подключения из-за соединения разноименных фаз произойдет .
- При подключении трехфазного счетчика – так как его работа основана на совпадении фаз с соответствующими выводами прибора, то при нарушении правильности подключения может произойти сбой и самопроизвольное движение в отсутствии какой-либо нагрузки. Из-за чего такое подключение электросчетчика приведет к необходимости оплаты потребителем киловатт, которые он не расходовал.
- При включении двигателя – следование фаз в сети определяет для электрической машины и направление вращения двигателя. В случае отсутствия правильной фазировки изменится и направление движения элементов, механически соединенных с ротором. Из-за чего может произойти нарушение технологического процесса или возникнуть угроза жизни персонала.
С целью предотвращения и других несовпадений, на практике выполняют проверку чередования и устанавливают защиту.
Как выполнить проверку?
Проверка может производиться несколькими способами. Целесообразность выбора того или другого варианта осуществляется в зависимости от параметров электрической сети и задач, которые необходимо решить. Так чередование можно узнать при помощи фазоуказателя, мегаомметра, мультиметра или по расцветке изоляции кабеля. Рассмотрите каждый из вариантов более подробно.
С помощью фазоуказателя
По принципу действия, фазоуказатель можно сравнить с обычным асинхронным двигателем. Рассмотрим в качестве примера наиболее распространенную модель фазоуказателя – ФУ-2 .
Рисунок 3: Принципиальная схема работы ФУ-2
Как видите на рисунке 3, у указателя последовательности фаз присутствуют три обмотки, которые подсоединяются к одноименным фазам в сети или устройстве. Между обмотками находится вращающийся ротор Р, который приводит в движение диск фазоуказателя Д.
На практике, после подсоединения к зажимам фазоуказателя соответствующих проводов, работник нажимает кнопку К, которая замыкает цепь обмоток. В зависимости от порядка чередования фаз, диск Д начнет вращаться по часовой или против часовой стрелки.
На самом приборе имеется стрелка, показывающая прямое чередование. Если при нажатии кнопки диск вращается в том же направлении, что и показано стрелкой, то эта трехфазная нагрузка имеет прямое чередование. Если диск начнет крутиться в противоположную от стрелки сторону, то чередование фаз обратное. Следует отметить, что этот прибор не способен определить, какая фаза на каком проводе находится, он может определить лишь порядок их чередования.
С помощью мегаомметра
Как один из способов прозвонки жил широко используется прибор для измерения сопротивления – мегаомметр.
Рис. 4: Прозвонка кабеля мегаомметром
Посмотрите на рисунок 4, для реализации такой схемы, вам понадобится отключить кабель от сети и от потребителя. При этом, с одного конца кабеля фазы поочередно соединяются с землей З, как и металлическая оболочка у бронированных кабелей. С другой стороны присоединяется мегаомметр М, один из зажимов которого заземляется, а второй поочередно подводится к каждой из фаз. На той, где мегаомметр покажет нулевое сопротивление, и будет одним проводом.
На концах одноименного провода устанавливается соответствующая маркировка. Недостатком такого способа прозвонки является большой объем трудозатрат. Так как каждая жила заземляется поочередно, после чего выполняется проверка. При этом на обоих концах кабеля должны устанавливаться ответственные сотрудники. Между ними должна обеспечиваться связь, для согласования действий и предупреждения подачи напряжения на работников.
По расцветке изоляции жил
Если в каком-либо устройстве имеется подключение разноцветными жилами, то фазировку оборудования можно выполнять по цветам. Для определения нахождения одноименных напряжений тех или иных фаз необходимо добраться до каждой жилы кабеля. Если на каждом проводе присутствует изоляция разных цветов, то сравнив их с местом присоединения к трансформатору или распедустройству, можно определить, где какая фаза находится.
Недостатком такого метода следует отметить ложную цветовую маркировку, так как производитель кабеля не всегда обеспечивает один и тот же цвет для каждой жилы на всей протяженности провода. Поэтому предварительно его все равно рекомендуется прозванивать и маркировать.
При помощи мультиметра
Для этого метода используется обычный мультиметр. Он наиболее актуален в тех ситуациях, когда необходимо включить в параллельную работу два смежных устройства и их шины расположены поблизости.
Рис. 5: фазировка мультиметром
Необходимо выполнить сравнение фазных напряжений в соседних линиях, на рисунке 5 приведен пример для фаз А и А1. Коммутационная аппаратура при этом должна быть разомкнута. Перед тем как пользоваться мультиметром, на нем выставляется класс напряжения, для линии, на которой будет производиться замер. Щупы подводятся к выводам фаз, при этом их изоляция должна обеспечивать защиту от напряжения, а на руки надеваются диэлектрические перчатки.
Если при подключении щупов к выводам A – A1 стрелка останется на нулевой отметке, то это значит, что фазы одинаковые. Если стрелка отклонится на величину линейного напряжения, вы меряете разноименные фазы.
Защита от нарушения порядка чередования
Для защиты электрического оборудования от неправильного чередования на практике применяется . Это реле настроено на работу двигателя или другого устройства в его прямом включении. Если из-за каких-то неполадок или неправильного подключения чередование нарушается, то трехфазное реле сразу отключит устройство. Его работа основана на анализе трехфазных токов и напряжений и последующем контроле этих параметров.
Подключение может выполняться через трансформаторы тока или напрямую, в зависимости от модели и класса напряжения в сети. Такая защита нашла широкое применение при подключении счетчиков индукционного типа, электрических машин и другого высокоточного оборудования.
Тематическое видео
Для расчета токов должна быть задана схема цепи, значение и тип сопротивлений, напряжение источника энергии. Расчеты обычно проводят для комплексных значений.
Симметричная нагрузка в схеме соединением «звезда – звезда» с нулевым проводом представлена на рис. 4.8.
Если нулевой провод
в схеме симметричного приемника (
)
обладает весьма малым сопротивлением
(Z 0
= 0), то потенциал точки О /
практически равен потенциалу точки О,
и точки сливаются в одну. В схеме
образуются три обособленных контура,
комплексные значения токов в каждом из
которых определяются как в однофазной
цепи 
;
;
где Ė А, Ė В, Ė С – фазные напряжения на зажимах генератора.
По первому закону
Кирхгофа ток в нулевом проводе 4-х
проводной системы равен геометрической
сумме фазных токов 
.
В общем случае
комплексное напряжение между нулевыми
точками 0 –
0`
при наличии
нейтрального провода
.
При равномерной симметричной нагрузке ток I 0 =0, и нулевой провод может быть изъят из схемы без изменения ее режима работы. Для 3-х проводной системы, т.е. не содержащей нейтральный провод (Z N = ∞) слагаемое 1/ Z N в знаменателе будет отсутствовать.
При определении
напряжения фаз приемника если не
учитывать сопротивления источника, то
можно заменить
на
Переходя к
действующим значениям величин в случае,
когда нагрузки во всех фазах равны и
имеют активный характер 
,
где
− значение линейного напряжения, токи
соответственно принимают значения
,
,
.
Общая мощность трехфазной цепи с активной нагрузкой равна
.
4.4. Несимметричная нагрузка при соединении звездой
При несимметричной
нагрузке и отсутствии нулевого провода
между нулевыми точками генератора О и
приемника О /
появляется
напряжение
,
в результате чего фазные напряжения
приемника оказываются различными.
Расчетные соотношение
между фазными и линейными напряжениями
при этом нарушается. Для определения
напряжения между нулевыми точками, а
также фазных напряжений приемника
предположим, что в электрической цепи
имеется нейтральный (нулевой) провод,
сопротивление которого
.
Тогда напряжение между нулевыми точками
источника и приемника
,
где g A , g B , g C , g N – проводимости фазных и нулевого проводов,
т
Рис. 3. 9. 3.10.
.е. для несимметричной системы при определении
в знаменателе учитывается
проводимость нейтрального провода g
N
..
На рис. 4.9. приведена
векторная диаграмма без нейтрального
провода, на которой
,
,
−
векторы фазных напряжений источника,
а
,
,
−
векторы линейных напряжений источника,
а также линейных напряжений приемника.
Для построения вектора напряжения
и векторов фазных напряжений приемника
,
,
используем их значения, полученные
выше.
Связь между фазными
и линейными векторами
,
,
и
,
,
,
определяем выражениями
,
,
.
Векторная диаграмма
построена для активной несимметричной
нагрузки фаз (
).
При изменении
величины фазных активных сопротивлений
напряжение
может изменяться в широких пределах. В
соответствии с этим точкаN
на диаграмме может занимать различные
положения, а фазовые напряжения приемника
могут отличаться друг от друга весьма
существенно.
Рассмотрим, частный
случай несимметричной нагрузки, когда
.
Поскольку
,
то и
,
получим
,
и
.
ТочкаN
на диаграмме переместится в точку С,
напряжение
возрастет до фазного напряжения
источника, а напряжения
,
−
до линейных напряжений.
При изменении фазных напряжений происходит изменение фазных токов и мощностей − «перекос фаз».
Если при несимметричной
нагрузке нулевые точки источника и
приемника соединить нулевым проводом,
то поскольку сопротивление нулевого
провода мало, (
и
),
то фазные напряжения приемника получаются
одинаковыми и сдвинутыми по фазе
относительно друг друга на угол
.
Включение нулевого провода приводит к
соответствующим изменениям векторной
диаграммы электрической цепи. Так, если
электрической цепи без нулевого провода
соответствует векторная диаграмма,
изображенная на рис.3.9. сплошной линией,
то той же цепи при включении нулевого
провода соответствует диаграмма,
изображенная на том же рисунке пунктиром.
Вектор
построен
в соответствии с выражением. 
.
При наличии нулевого провода в схемах с несимметричной нагрузкой, так же как и в случае с симметричной нагрузкой остается в силе соотношение
.
На основании
изложенного можно сделать вывод, что
нулевой провод необходим для того, чтобы
при несимметричной нагрузке выравнивать
фазные напряжения приемника, т.е. получать
во всех фазах приемника одинаковые
напряжения, равные
.
Фазные токи, углы
сдвига фаз между фазовыми напряжениями
и токами, а также фазные мощности при
несимметричной нагрузке в цепи с нулевым
проводом будут в общем случае различными.
Они могут быть определены по следующим
формулам:
,
,
.
Углы сдвига фаз между фазными токами и напряжениями зависят от величины и характера сопротивлений фаз приемника и равны
,
,
.
Мощности для фазы «А» равны
Активная и реактивная
мощности трехфазного приемника при
соединении звездой 
,
.
Если кроме фазных
токов требуется найти ток в нулевом
проводе, то задачу следует решать в
комплексной форме. При этом необходимо
прежде всего выразить в комплексной
форме то
,
,
Ток в нулевом проводе можно определить также по векторной диаграмме, не прибегая к решению задачи в комплексной форме.
Под трехфазной системой ЭДС (напряжений) понимают совокупность трех симметричных ДС, амплитуды, которых равны по значению и сдвинуты (амплитуда каждой ЭДС относительно предшествующей ей амплитуды другой ЭДС) на один и тот же фазный угол. На рис. 1,д приведена схема простейшего синхронного генератора трехфазного тока. Обмотки, в. которых наводятся переменные ЭДС, помещены в пазы статора, смещенные по окружности на 120°. Выводам обмоток присвоены обозначения "начал" АБСа "концов" X, Y, Z соответственно. По обмотке ротора проходит постоянный ток, создавая магнитное поле. При пересечении обмоток статора магнитным полем вращающегося ротора в них наводится симметричная система трех синусоидальных ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе на 120° (рис. 1,6). За один оборот ротора, что соответствует периоду времени Т, в каждой из обмоток происходит полный цикл изменения ЭДС. Когда ось ротора/- / пересекает витки обмотки статора, в них наводится максимальная ЭДС. Но так как для трех обмоток статора это происходит в разные моменты времени, то и максимумы наведенных ЭДС не совпадают по фазе, т. е. их амплитуды Ед, Eg, Ее оказываются сдвинутыми одна относительно другой на 1/3 периода, или на 120°.
Фаза. Угол, характеризующий определенную стадию периодически изменяющегося параметра (в данном случае ЭДС), называют фазовым углом или простой фазой. При совместном рассмотрении двух (и более) синусоидально изменяющихся ЭДС одной частоты, если их нулевые (или амплитудные) значения наступают не одновременно, говорят, что они сдвинуты по фазе. Сдвиг всегда определяют между одинаковыми фазами, например между началами синусоид, как это показано на рис. 1,6, или между амплитудами. При сдвиге двух синусоид по фазе одна из них будет отставать от другой по времени. Чтобы определить, какая из синусоид отстает, находят их начала, т. е. нулевые значения ЭДС при переходе от отрицательных 6 значений к положительным.
Рис. 1. Получение трехфазной симметричной системы ЭДС: 1 - статор; 2 - обмотка статора; 3 - ротор; 4 - обмотка ротора
На рис. 1,6 начала обозначены буквами а, Ь, с. Из рисунка видно, что начало одной синусоиды (например, синусоиды, проходящей через точку Ь) расположено правее начала другой (синусоиды, проходящей через точку а). Это свидетельствует о том, что синусоида с началом в точке b отстает по времени от синусоиды с началом в точке а Еще более отстает синусоида, проходящая через точку с, так как ее начало сдвинуто на (2/3) Т или на 240° от начала координат (момента, когда / = 0). В равной мере можно говорить, что синусоида с началом в точке а опережает синусоиды с началом в точке b на (1/3) Tvi с началом в точке с - на (2/3) Т.
На практике под фазой трехфазной системы понимают также отдельный участок трехфазной цепи, по которому проходит один и тот же ток, сдвинутый относительно двух других по фазе. Исходя из этого, фазой называют обмотку генератора, трансформатора, двигателя, провод трехфазной линии, чтобы подчеркнуть принадлежность их к определенному участку трехфазной цепи.
Фазы обозначают прописными буквами А, В, С. Но навешивать надписи букв на оборудование станций и подстанций не всегда удобно. Поэтому при окраске оборудования (например, сборных и соединительных шин в закрытых РУ), которая применяется с целью защиты от коррозии, используют красители различного цвета. Краску наносят по всей длине шин.
Шины фазы А окрашивают в желтый цвет, фазы В - в зеленый и фазы С - в красный. Поэтому фазы часто называют Ж, 3, К. Для распознавания фаз оборудования на кожухах, арматуре изоляторов, конструкциях и опорах наносят соответствующие цветные метки в виде кружков или полос.
Таким образом, в зависимости от рассматриваемого вопроса фаза - это либо угол, характеризующий состояние синусоидально изменяющейся величины в каждый момент времени, либо участок трехфазной цепи, т. е. однофазная цепь, входящая в состав трехфазной.
Порядок следования фаз. Порядок, в котором ЭДС в фазных обмотках генератора проходят через одни и те же значения (например, через положительные амплитудные значения), называют порядком следования фаз. Трехфазные системы ЭДС могут отличаться друг от друга порядком следования фаз. Если вращение ротора генератора происходит в направлении, изображенном на рис. 1,с, то фазы будут следовать в порядке А, В, С - это так называемый прямой порядок следования фаз. Если направление вращения ротора изменить на противоположное, то изменится и порядок следования фаз. Фазы будут проходить через максимальные значения в порядке А, С, В - это обратный порядок следования фаз.
Иногда вместо термина "порядок следования фаз" говорят "порядок чередования фаз". Во избежание путаницы условимся применять термин "Чередование фаз" только в том случае, когда это связано с понятием фазы как участка трехфазной цепи.
Чередование фаз.
Итак, под чередованием фаз понимают очередность, в которой фазы трехфазной цепи (отдельные провода линии, обмотки и выводы электрической машины и т. д.) расположены в пространстве, если обход их каждый раз начинать из одного и того же пункта (точки) и производить в одном и том же направлении, например сверху вниз, по часовой стрелке и т. д. На основании такого определения говорят о чередовании обозначений выводов электрических машин и трансформаторов, расцветки проводов и сборных шин. В ряде случаев порядок чередования фаз строго регламентирован. Так, порядок чередования обозначений выводов синхронных машин принимается соответствующим порядку следования фаз для установленного направления вращения ротора. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) предусматривают для закрытых РУ следующий порядок чередования окрашенных сборных шин при расположении их в вертикальной плоскости: верхняя шина - желтая, средняя - зеленая, нижняя - красная. При расположении шин в горизонтальной плоскости наиболее удаленная шина окрашивается в желтый цвет, а ближайшая к коридору обслуживания - в красный. Ответвления от сборных шин выполняются так, чтобы слева располагалась фаза Ж, 8 справа - фаза К, если смотреть на шины из коридора обслуживания (при трех коридорах в РУ - из центрального).
На открытых подстанциях чередование окраски сборных и обходных шин ориентируют по силовым трансформаторам. Ближайшая к ним фаза шин окрашивается в желтый цвет, средняя - в зеленый, отдаленная - в красный. Ответвления от сборных шин выполняют таким образом, чтобы слева располагалась шина фазы Ж, справа - фазы К, если смотреть со стороны шин на трансформатор.
Отступление от указанных выше требований порядка чередования окраски шин РУ ПУЭ допускают в виде исключения в тех отдельных случаях, когда соблюдение этих требований связано с усложнением монтажа или необходимостью установки специальных опор для транспозиции проводов BЛ.
Совпадение фаз. При фазировке трехфазных цепей могут быть различные варианты чередования обозначений (расцветки) вводов на включающем аппарате и подачи на эти вводы напряжения разных фаз. Для простоты дальнейших рассуждений допустим, что фазируемые напряжения двух систем шин электроустановки имеют одинаковые порядки следования фаз А, В, С и Ах, Bi, С|. При этом условии фазы одноименных напряжений могут совпасть, а порядок чередования обозначений вводов у выключателя может не совпасть (рис- 2, а) или, наоборот, при одном и том же порядке чередования обозначений вводов фазируемые напряжения могут оказаться сдвинутыми по фазе (рис. 2, б). Поворот одноименных векторов напряжений относительно друг друга может быть не только на угол 120°, как это показано на рис. 2,6, но на любой угол, кратный 30е, что Характерно для трансформаторов, имеющих разные группы соединения обмоток. В обоих приведенных случаях включение выключателя неизбежно приводит к КЗ.
В то же время возможен вариант, когда совпадает и то, и другое (рис. 2, в) - Короткое замыкание между соединяемыми частями установки здесь исключено.
Под совпадением фаз при фазировке как раз и понимают именно этот случай, когда на вводах выключателя, расположенных друг против друга и принадлежащих одной фазе, одноименные напряжения двух частей установки совпадают по фазе, а обозначения (расцветка) вводов выключателя согласованы с соответствующими фазами напряжения и имеют один и тот же порядок чередования.
Векторное изображение синусоидально изменяющихся ЭДС (напряжений, токов). Периодически изменяющиеся синусоидальные величины изображают в виде синусоид (рис. 1,6) и вращающимися векторами - направленными отрезками прямой линии (рис. 1,в).
Рис. 2. Варианты несовпадения (е. б) и совпадения (в) фаз двух частей электроустановки
Для векторов фазных ЭДС Ej4, Eg. Eq> изображенных на этом рисунке, условно приняты направления от начал обмоток к их концам. Связь между синусоидальной кривой и вращающимися векторами показана на рис. 3. Синусоида получается проектированием вращающегося вектора (равного в заданном масштабе амплитуде изменяющейся ЭДС) на вертикальную ось /-/, перемещаемую по оси абсцисс со скоростью, пропорциональной частоте вращения вектора. Сдвиг фаз между двумя векторами, начала которых совмещены в одной точке, определяется углом V (рис.4). Отставание вектора Eg от вектора Ед показано направлением стрелки угла (против направления вращения векторов).
Следует сказать, что понятие вращающегося вектора ЭДС (напряжения, тока и т.д.) в электротехнике несколько отличается от понятия вектора, скажем, силы или скорости в механике.
Рис. 3. Получение синусоидального графика при вращении вектора
Рис. 4. Изображение двух ЭДС синусоидами и векторами при различных углах сдвига
Если в механике векторы не могут быть определены полностью только по их значениям без указания направления их действия в пространстве, то в электротехнике вращающиеся векторы не определяют действительного направления изображаемых ими величин в пространстве. Однако совокупное расположение вращающихся с одной частотой векторов (например, ЭДС трех фаз) на диаграмме дает представление о происходящем в электрической цепи процессе во времени и позволяет сделать количественную оценку явлений путем проведения элементарных операций над векторами.
Основные Схемы соединений трехфазных цепей.
Обмотки электрических машин (генераторов, синхронных компенсаторов, двигателей) и трансформаторов соединяют в звезду или треугольник.
При соединении трех обмоток генератора в звезду концы их объединяют в одну точку (рис. 5, в), которую называют нулевой (или нейтральной). Электродвижущие силы между началами и нулевой точкой обмоток называют фазными ЭДС и обозначают Ед, Eg, Ее, или просто £ф. Электродвижущие силы между выводами фаз называют линейными tn. Они получаются как разность векторов соответствующих фазных ЭДС генератора, например Ед - Eg = Едд (рис. 5,в). 
Рис. 5. Соединение обмоток генератора в звезду (о), векторная диаграмма ЭДС (б), вычитание векторов фазных ЭДС (в)
Рис. 6. Соединение обмоток генератора треугольником (д) и векторная диаграмма ЭДС (б)
Порядок индексов в обозначении линейных ЭДС не произволен - индексы ставятся в порядке
вычитания векторов: Ев-Ес= Евс\ Ес-Ёл = ЕСА- С учетом заданного направления вращения векторов такой расстановке индексов соответствует вычитание вектора ЭДС отстающей фазы из вектора ЭДС опережающей. В результате векторы линейных ЭДС всегда опережают уменьшаемые фазные векторы на 30°. Значения линейных ЭДС в \Д или в 1,73, раз больше фазных, в чем легко убедиться измерением векторов на диаграмме.
Соединение обмоток генератора треугольником показано на рис. 6,о. Точки А, В, С являются общими для каждой пары фазных обмоток. Если к зажимам генератора не подсоединена нагрузка, то в обмотках, образующих замкнутый контур, отсутствует ток, обусловленный синусоидальными ЭДС промышленной частоты, сдвинутыми относительно друг друга на (1/3) Т, так как в каждый момент времени геометрическая сумма ЭДС, действующих в контуре треугольника, равна нулю. Убедиться в этом можно, рассматривая векторную диаграмму рис."6, б и синусоиды мгновенных значений ЭДС трехфазного генератора (рис. 1, б). 
Рис. 7. Изменение на 180° фазы наведенной ЭДС при перемене обозначений зажимов:
а - фазы ЭДС Ед и Еа совпадают; б - ЭДС Ед и Eg находятся в противофазе
Из рис. 6, а видно, что при соединении треугольником линейные провода отходят непосредственно от начала и конца обмотки каждой фазы, поэтому фазные ЭДС равны линейным и совпадают с ними по фазе. Заметим, что на станциях обмотки генераторов, как правило, соединяют в звезду. Соединение треугольником встречается крайне редко и только у турбогенераторов одного типа (ТВС-30).
Обмотки трансформаторов, так же как и генераторов, соединяют в звезду и треугольник (схема зигзага встречается редко). Схема звезды часто выполняется с выведенной нулевой точкой. Схемы соединений в звезду, в звезду с выведенной нулевой точкой и в треугольник в тексте обычно обозначают буквами У, Ун и Д соответственно. Обмотки высшего напряжения (ВН) трансформаторов соединяют в У или Д независимо от схемы соединения источников питания. Вторичные обмотки среднего (СН) и низшего (НН) напряжений также соединяют в У или Д.
В отличие от генераторов у мощных трансформаторов соединение треугольником по крайней мере одной из его обмоток является обычным }
